WO2013117576A1 - Verfahren und vorrichtung zur passivierung von solarzellen mit einer aluminiumoxid-schicht - Google Patents

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Oliver Hohn
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Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for coating a substrate with an aluminum oxide layer, in particular for surface passivation of solar cells.
  • unbound states at the surface e.g. of a semiconductor
  • electrons and holes can recombine or become stained (e.g., moisture). Therefore, the recombination process can be performed via unbound states for electronic devices, e.g. Semiconductor devices and / or solar cells, be harmful and reduce the life of these components.
  • the predictability and predictability of the operation of these components due to possible Rekombinations revitalizen on the surfaces is not exactly possible.
  • Such passivation layers are e.g. for high efficiency solar cells of particular interest (e.g., backside passivation of a passivated emitter and rear contact (PERC) solar cell or the front of an n-type solar cell).
  • PERC passivated emitter and rear contact
  • DE-A1 - 102007054384 it has been proposed, for example, to use a dielectric double layer for passivation of a solar cell for surface passivation.
  • the first layer in this case was a thin aluminum oxide layer, which was formed by sequential vapor deposition (Atomic Layer Deposition, ALD) from an aluminum-containing gas, while the second, thicker layer of silicon nitride or silicon oxide or silicon carbide contained and was formed by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD).
  • ALD vapor deposition
  • PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition
  • process gases e.g. Aluminum-containing gas to produce
  • the invention is based on the concept of depositing a passivation layer, e.g. Alumina, an inductively coupled plasma (ICP) to use.
  • a passivation layer e.g. Alumina
  • ICP inductively coupled plasma
  • the invention particularly relates to a method for coating a substrate with an A10 x layer, in particular Al 2 0 3 layer.
  • an inductively coupled plasma source ICP source
  • ICP source inductively coupled plasma source
  • An aluminum compound preferably trimethylaluminum (TMA) and / or dimethylamium aluminum isopropoxide (DMAI)
  • oxygen and / or an oxygen compound as a reactive gas are introduced into the ICP source.
  • energy is inductively coupled into the ICP source and the deposited A10 x layer on the substrate.
  • a plasma includes freely moving electrons, ions, molecules, neutrals and radicals.
  • a plasma can be used, for example, to remove non-reactive molecules to convert other into electrically charged and / or excited, reactive molecules and / or radicals, wherein the reactivity and distribution of the plasma can be controlled, for example by applied electrical and / or magnetic fields.
  • the energy required to generate the plasma is coupled into the process gas filled reaction chamber via a radio frequency (RF) inductor.
  • RF radio frequency
  • reaction gases may be used for this e.g. be introduced into the reaction chamber via channels.
  • the excited gases can react with layer-forming substances (eg TMA, DMAI, (CH 3 ) 3 Al or SiH 4 ), forming layers of new compounds on the substrate surface in which elements from all reaction partners can occur.
  • layer-forming substances eg TMA, DMAI, (CH 3 ) 3 Al or SiH 4
  • oxygen gas (0 2 ) can be used for the aluminum oxide coating
  • a nitrogen-containing reactive gas such as NH 3
  • NH 3 can be used for the production of a silicon nitride layer
  • the inductively coupled-in energy of an ICP plasma source can advantageously lead to a higher plasma density.
  • the process can be carried out at low pressure so that the deposited layer has good homogeneity over a relatively large area (eg of the order of 100mm x 100mm, 150mm x 150mm, 156mm x 156mm or so) more) with special layer composition while having a high coating rate.
  • the plasma density and ion energy are independently controlled.
  • the plasma density may be at least 1 ⁇ 10 11 ions / cm 3 , preferably 1 ⁇ 10 12 ions / cm 3 to 9 ⁇ 10 13 ions / cm 3 .
  • the ion energy may be between 1 and 30 eV, preferably less than 20 eV. Because of the ion energy and the plasma density can be independently controlled, it is possible to achieve high plasma densities without damaging the surface of the substrate, or the substrate itself, especially the emitter.
  • the inductive coupling of energy is performed at a frequency of 1-60 MHz, preferably 13.56 MHz. Due to the direct energy coupling by the RF inductor thus a high plasma density and thus a high coating rate can be achieved.
  • the substrate is silicon.
  • Silicon is preferably used for the production and / or coating of semiconductors and / or solar cells.
  • the use of crystalline silicon may be advantageous, since crystalline silicon solar cells undergo only minor losses due to degradation, especially during operation over a longer period of several years (up to 20 years or more).
  • a further layer in particular a dielectric, can be deposited on the aluminum oxide layer.
  • the method may provide that the substrate, which is provided with the A10 x layer, either remains in the same chamber or is transported into a further reaction chamber with a further ICP source.
  • a silicon compound is preferably introduced into the second ICP source and nitrogen or oxygen or a hydrocarbon compound (such as CH 2 ) and / or a nitrogen compound or an oxygen compound or a hydrocarbon compound compound as a reactive gas are introduced into the second ICP source ,
  • energy is coupled into the second ICP source, and then a respective SiN y - or SiOx or SiC z layer on the A10 x layer is deposited.
  • the further (second) reaction chamber can be arranged directly next to the first reaction chamber in the same coating installation. Therefore, a further layer, in particular of a different material, can be applied to the substrate which has just been coated with the first layer without complicated introduction and / or removal of the (coated) substrate in a further process step in the same coating installation.
  • the present invention also relates to a coating system for depositing thin layers on a substrate, in particular for carrying out one of the methods described above. In this case, the coating installation may be particularly suitable for realizing the process parameters described above.
  • the coating installation comprises an inductively coupled plasma source (ICP) with a reaction chamber and at least one RF inductor, a substrate holder for arranging a substrate, in particular a plurality of substrates, in the reaction chamber and channels for introducing the aluminum compound and a reactive gas into the ICP source.
  • ICP inductively coupled plasma source
  • the substrate is arranged in the reaction chamber such that the surface of the substrate to be coated faces the ICP source.
  • the inductively coupled plasma source comprises the reaction chamber and at least one inductor which is connected to a high-frequency current source.
  • the energy required for the generation of the plasma can be coupled directly into the reaction chamber.
  • Preferably also channels for introducing reactive gas and / or introducing a e.g. fluid precursor (such as TMA) into the plasma source.
  • the coating system comprises at least one second inductively coupled plasma source (ICP) with a reaction chamber and at least an RF inductor and channels for introducing a silicon compound and a reactive gas into the second / further ICP source (s).
  • ICP inductively coupled plasma source
  • the coating equipment may be configured to include a plurality of process stations equipped with ICP sources and corresponding reaction chambers and channels.
  • the coating system also includes transport mechanisms, so that a particular coated substrate can be supplied from a first to a second process station, in particular into a second plasma source with reaction chamber.
  • the second process station / source / reaction chamber can then be made a further coating, in particular for the production of a (to the first layer) different layer.
  • further coatings can be provided in further process stations / sources / reaction chambers.
  • the inductor of the ICP source (s) is disposed outside the associated reaction chamber and separated therefrom by a dielectric baffle.
  • the dielectric wall preferably separates the reaction chamber from the region of the inductor with the high-frequency current source in such a way that, in particular, it provides protection for the inductor and the plasma can form controlled and directed.
  • the methods and coating system described here can z. B. for passivation, in particular for the backside passivation of solar cells, preferably of crystalline solar cells, are applied.
  • the inventive method and the corresponding coating system allow the production of high-quality, low-defect homogeneous layers (low pressure). Due to the high dissociation of oxygen and the high conversion rate of the aluminum-containing gas, in particular TMA, and / or DMAI, in the source is also a high throughput of coated substrates, such as solar cells with high cell efficiency, while low consumption of TMA and / or DMAI. This significantly reduces material costs per wafer or per watt.
  • Another advantage over already known methods or coating systems is that these methods can be carried out in a single system (eg with several reaction chambers having the same pressure or different pressures, and / or with suitable transport mechanisms between the individual chambers): For example, the entire backsheet stack of an aluminum oxide and a silicon nitride layer in a platform (such a platform is known for example from DE 10 2009 018 700) take place, which is not possible with an ALD method and corresponding system.
  • the method according to the invention can be carried out in clock mode or the coating system according to the invention can operate in clock mode.
  • At least one substrate may be in a first reaction chamber (or other process station) while at the same time there is at least one other substrate in a second reaction chamber (or another process station, etc.) It is no longer necessary for a single substrate or a single group of substrates to undergo a complete coating process in the system before the coating system is filled with a next substrate or a next group of substrates for coating: as soon as the first process step is completed, for example in a first chamber is, the substrate (or the group of substrates) can be transported into a further chamber for further processing, while preferably at the same moment the first chamber is filled with a next substrate or a next substrate group, etc. For example, a substrate or a group e of substrates in cycle operation in a circle through the individual stations of the coating system. In this way, the cycle time is shortened, which in turn leads to an increased throughput, eg during clocked operation without rejection.
  • Substrate temperature room temperature up to 450 ° C
  • Radio frequency 1 - 60 MHz, preferably 13.56 MHz
  • Plasma power 0.5 to 10 kW, preferably 3.5 to 6 kW
  • Ion energy 1 eV to 30 eV, preferably less than 20 eV
  • Plasma density at least l xl O 1 1 ions / cm 3, preferably from l xl O 12 ions / cm 3 to 9x l 0 13 ions / cm 3
  • Plasma quality particle-free plasma jet due to low pressure
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a process station of an ICP-PECVD coating installation
  • FIG. 2 shows a schematic view of several process stations of an ICP-PECVD coating installation
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a process station of an ICP-PECVD coating installation
  • FIG. 2 shows a schematic view of several process stations of an ICP-PECVD coating installation
  • Fig. 3 is a schematic representation of a process station of an ICP PECVD coating system with dielectric partition.
  • the process station comprises an ICP source 20 below the substrate holder 11 with the substrates 10 having a reaction chamber 22 and at least a circulating RF inductor 24.
  • the RF inductor 24 is located on the lateral inner walls of the ICP source and thus defines the lateral boundaries of the reaction chamber 22.
  • the ICP source also has channels 28 through which a fluid precursor , eg TMA and / or DMAI, can be introduced into the reaction chamber.
  • a reactive gas, e.g. Oxygen may also be supplied to the chamber 22 via one of these channels or another channel 26.
  • a plasma 30 is formed, which is formed in the direction of the underside of the substrate 10 to be coated. Finally, in this way a thin layer 12, for example of an aluminum oxide, can be deposited on the substrate 10.
  • Fig. 2 shows a schematic view of several process stations.
  • ICP sources e.g. can be approached in succession clockwise and / or in arbitrary order with the substrate via transport mechanisms.
  • At least one temperature sensor may be provided to control the substrate temperature.
  • the substrate remains in a holder and the individual stations / sources / chambers can be attached to one side of the substrate (e.g., by rotating the plane of the chambers parallel to the substrate plane) so that the substrate can be coated.
  • an aluminum oxide layer can first be deposited onto the substrate using TMA and / or DMAI as precursor and oxygen as reactive gas, and then, using SiH 4 as precursor and NH 3 as reactive gas, a silicon nitride layer on the aluminum oxide. Layer are applied.
  • the ICP source in FIG. 3 has a dielectric partition wall 123 which separates the RF inductor 124 from the reaction chamber 122.
  • the outer dimensions of the dielectric bulkhead 123 may define at least one sidewall of the reaction chamber and / or may be trough and / or ring-shaped in the source.
  • the dielectric partition wall can provide protection for the inductor and serve to allow the plasma to be controlled and to be directed toward the surface of the substrate to be coated.
  • the inventive method and the corresponding coating system thus enable the production of high-quality layers at low process pressure and low material costs.
  • Another advantage over already known methods or coating systems is that these methods can be performed in a single system, so that the cycle time is shortened and thus increases the throughput.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats (10) mit einer AlOx-Schicht (12), insbesondere Al2O3-Schicht, mit den folgenden Verfahrensschritten: (a) Bereitstellen einer induktiv gekoppelten Plasmaquelle (ICP-Quelle) (20) mit einer Reaktionskammer (22) und mindestens einem HF-Induktor (24), (b) Einleiten einer Aluminiumverbindung, vorzugsweise Trimethylaluminium (TMA), in die ICP-Quelle, (c) Einleiten von Sauerstoff und/oder einer Sauerstoffverbindung als Reaktivgas in die ICP-Quelle und induktives Einkoppeln von Energie in die ICP-Quelle zum Ausbilden eines Plasmas (30), und (d) Abscheiden der AlOx-Schicht auf dem Substrat. Die Erfindung betrifft auch eine Beschichtungsanlage zum Abscheiden von dünnen Schichten auf einem Substrat, insbesondere zur Durchführung obigen Verfahrens. Die Beschichtungsanlage umfasst eine induktiv gekoppelte Plasmaquelle (ICP) (20) mit einer Reaktionskammer (22) und mindestens einem HF-Induktor (24), eine Substrathalterung zur Anordnung des Substrats in der Reaktionskammer und Kanäle (26, 28) zum Einleiten der Aluminiumverbindung und eines Reaktivgases in die ICP-Quelle. Das Substrat ist in der Reaktionskammer derart angeordnet, dass die zu beschichtende Oberfläche des Substrats zur ICP-Quelle weist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Passivierung von Solarzellen mit einer Aluminiumoxid- Schicht
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Beschichtung eines Substrats mit einer Aluminiumoxid-Schicht, insbesondere zur Oberflächen- Passivierung von Solarzellen.
Durch ungebundene Zustände an der Oberfläche z.B. eines Halbleiters können Elektronen und Löcher rekombinieren oder sich Verschmutzungen (z.B. Feuchtigkeit) festsetzen. Daher kann der Rekombinationsprozess über ungebundene Zustände für elektronische Bauelemente, wie z.B. Halbleiterbauelemente und/oder Solarzellen, schädlich sein und die Lebensdauer dieser Bauteile verringern. Zudem ist auch die Vorhersagbarkeit und Berechenbarkeit der Funktionsweise dieser Bauelemente aufgrund von möglichen Rekombinationsprozessen an den Oberflächen nicht ganz genau möglich.
Aus diesen Gründen wurde versucht, die Oberfläche derartiger Bauelemente mit einer Beschichtung zu versehen, die als Oberflächenpassivierung dienen soll. Derartige Passivierungsschichten sind z.B. für hocheffiziente Solarzellen von besonderem Interesse (z.B. Rückseitenpassivierung einer PERC (passivated emitter and rear contact) Solarzelle oder die Vorderseite einer n-type Solarzelle).
In der DE-Al - 102007054384 wurde z.B. vorgeschlagen, zur Oberflächenpassivierung eine Dielektrikum-Doppelschicht zur Passivierung einer Solarzelle zu verwenden. Die erste Schicht war hierbei eine dünne Aluminiumoxid-Schicht, die durch sequentielle Gasphasenabscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD) aus einem Aluminium-haltigen Gas gebildet wurde, während die zweite, dickere Schicht Silizium-Nitrid oder Silizium-Oxid oder Silizium-Karbid enthielt und mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition, PECVD) gebildet wurde. Obwohl derartige Verfahren bereits hinsichtlich der Qualität der Rückseitenpassivierung in der kristallinen Solarzellenproduktion recht gute Ergebnisse liefern, ist ein hoher Durchsatz an Zellen pro Stunde bei gleichzeitigem niedrigen Verbrauch an Aluminium-haltigen Gas kaum möglich.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System bzw. eine Beschichtungsanlage bereitzustellen, das bzw. die geeignet ist, oberflächenpassivierte Bauteile mit hohem Durchsatz und bei niedrigem Verbrauch an Prozessgasen wie z.B. Aluminium-haltigem Gas, herzustellen, ohne auf eine hohe Qualität der Schichten zu verzichten.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst. Die Erfindung geht aus von dem Konzept, zur Abscheidung einer Passivierungsschicht, z.B. Aluminiumoxid, ein induktiv gekoppeltes Plasma (inductively coupled plasma, ICP) zu verwenden.
Dadurch kann z. B. eine hohe Umsetzung der Reaktionsprodukte und eine hohe Beschichtungsrate erreicht werden. Auf diese Weise kann auch die Umsatzrate für qualitativ hochwertige Schichten (geringe Defektdichte und gute Homogenität auch auf großen Flächen) erhöht werden.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats mit einer A10x-Schicht, insbesondere Al203-Schicht. Hierbei wird eine induktiv gekoppelte Plasmaquelle (ICP-Quelle) mit einer Reaktionskammer und mindestens einem HF-Induktor bereitgestellt. Eine Aluminiumverbindung, vorzugsweise Trimethylaluminium (TMA) und/oder Dimethylamluminiumisopropoxid (DMAI), und Sauerstoff und/oder eine Sauerstoffverbindung als Reaktivgas werden in die ICP-Quelle eingeleitet. Zum Ausbilden eines Plasmas wird Energie induktiv in die ICP-Quelle eingekoppelt und die A10x-Schicht auf dem Substrat abgeschieden.
Ein Plasma umfasst frei bewegliche Elektronen, Ionen, Moleküle, Neutrale und Radikale. Ein Plasma kann z.B. verwendet werden, um nicht reaktive Moleküle unter anderem in elektrisch geladene und/oder angeregte, reaktive Moleküle und/oder Radikale umzuwandeln, wobei die Reaktivität und die Verteilung des Plasmas z.B. durch angelegte elektrische und/oder magnetische Felder kontrolliert werden kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die erforderliche Energie zur Erzeugung des Plasmas über einen Hochfrequenz(HF)-Induktor in die mit Prozessgasen gefüllte Reaktionskammer eingekoppelt.
Zur Herstellung elektronischer Bauteile, z.B. für die Halbleiter und/oder Solarzellenindustrie, ist es vorteilhaft, ein Plasma mit niedrigen Ionenenergien zu verwenden. Bestimmte Reaktionsgase können hierfür z.B. über Kanäle in die Reaktionskammer eingeleitet werden.
Die angeregten Gase können mit schichtbildenden Stoffen (z.B. TMA, DMAI, (CH3)3A1 oder SiH4) reagieren, wodurch sich Schichten von neuen Verbindungen an der Substratoberfläche ausbilden, in denen Elemente aus allen Reaktionspartnern vorkommen können.
Zur Aluminiumoxid-Beschichtung kann z.B. Sauerstoffgas (02) verwendet werden, während für die Herstellung einer Siliziumnitrid-Schicht ein stickstoff-haltiges Reaktivgas, wie z.B. NH3, genutzt werden kann.
Die induktiv eingekoppelte Energie einer ICP-Plasmaquelle kann vorteilhaft zu einer höheren Plasmadichte führen. Auf diese Weise kann das Verfahren bei niedrigem Druck durchgeführt werden, so dass die abgeschiedene Schicht eine gute Homogenität über eine relativ große Fläche (z.B. in der Größenordnung von 100 mm x 100 mm, 150 mm x 150 mm, 156 mm x 156 mm oder auch mehr) mit besonderer Schichtzusammensetzung bei gleichzeitiger hoher Beschichtungsrate aufweisen kann. In einer Ausführungsform werden die Plasmadichte und die Ionenenergie unabhängig voneinander gesteuert. Zum Beispiel kann die Plasmadichte mindestens l x l 01 1 Ionen/cm3, vorzugsweise l xl O12 Ionen/cm3 bis 9x l 013Ionen/cm3 betragen. Unabhängig davon kann die Ionenenergie in einer Ausführungsform zwischen 1 und 30 eV, vorzugsweise weniger als 20 eV, betragen. Dadurch dass die Ionenenergie und die Plasmadichte unabhängig voneinander gesteuert werden können, ist es möglich, hohe Plasmadichten zu erreichen, ohne die Oberfläche des Substrats, oder das Substrat selbst, insbesondere den Emitter zu schädigen. In einer Ausführungsform liegt ein Vakuum von 10"4 bis 10"' mbar, vorzugsweise von 10"3 bis 5 * 10"2 mbar, in der Reaktionskammer vor. Dieser Druck in der Reaktionskammer ermöglicht die Herstellung von sehr homogenen Schichten auch auf großen Oberflächen, so dass auf diese Weise der Durchsatz der beschichteten Bauteile erhöht werden kann.
In einer Ausführungsform wird das induktive Einkoppeln von Energie mit einer Frequenz von 1 - 60 MHz, vorzugsweise mit 13,56 MHz, durchgeführt. Aufgrund der direkten Energieeinkopplung durch den HF-Induktor kann somit eine hohe Plasmadichte und damit eine hohe Beschichtungsrate erreicht werden.
In einer Ausführungsform besteht das Substrat aus Silizium. Silizium wird hierbei vorzugsweise für die Herstellung und/oder Beschichtung von Halbleitern und/oder Solarzellen verwendet. Insbesondere kann die Verwendung von kristallinem Silizium von Vorteil sein, da kristalline Siliziumsolarzellen gerade bei Betrieb über einen längeren Zeitraum von mehreren Jahren (bis zu 20 Jahre oder mehr) nur geringe Verluste aufgrund von Degradation erfahren.
In einer Ausführungsform kann eine weitere Schicht, insbesondere ein Dielektrikum, auf der Aluminiumoxid-Schicht abgeschieden werden. Hierzu kann das Verfahren vorsehen, dass das Substrat, das mit der A10x-Schicht versehen ist, entweder in der gleichen Kammer verbleibt oder in eine weitere Reaktionskammer mit einer weiteren ICP-Quelle transportiert wird. In die zweite ICP-Quelle wird vorzugsweise eine Siliziumverbindung zugeführt und Stickstoff oder Sauerstoff oder einer Kohlenwasserstoffverbindung (wie z.B. CH2 ) und/oder eine Stickstoff-Verbindung oder eine Sauerstoff-Verbindung oder eine Kohlenwasserstoffverbindung- Verbindung als Reaktivgas in die zweite ICP-Quelle eingeleitet. Zum Ausbilden eines Plasmas wird Energie in die zweite ICP-Quelle eingekoppelt, und dann eine betreffende SiNy- oder SiOx- oder SiCz-Schicht auf der A10x-Schicht abgeschieden. Auf diese Weise kann z.B. ein Passivierungsstapel aus zwei oder mehr Schichten auf dem Substrat auf einfache Weise hergestellt werden. Insbesondere kann die weitere (zweite) Reaktionskammer direkt neben der ersten Reaktionskammer in der gleichen Beschichtungsanlage angeordnet sein. Daher kann auf das soeben mit der ersten Schicht beschichtete Substrat ohne aufwendiges Ein- und/oder Ausschleusen des (beschichteten) Substrats eine weitere Schicht, insbesondere aus einem anderen Material, in einem weiteren Prozessschritt in der gleichen Beschichtungsanlage aufgebracht werden. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Beschichtungsanlage zum Abscheiden von dünnen Schichten auf einem Substrat, insbesondere zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren. Die Beschichtungsanlage kann hierbei insbesondere geeignet sein, die oben beschriebenen Prozessparameter zu verwirklichen. Erfindungsgemäß umfasst die Beschichtungsanlage eine induktiv gekoppelte Plasmaquelle (ICP) mit einer Reaktionskammer und mindestens einem HF-Induktor, eine Substrathalterung zur Anordnung eines Substrats, insbesondere mehrerer Substrate, in der Reaktionskammer und Kanälen zum Einleiten der Aluminiumverbindung und eines Reaktivgases in die ICP-Quelle. Das Substrat ist hierbei derart in der Reaktionskammer angeordnet, dass die zu beschichtende Oberfläche des Substrats zur ICP-Quelle weist.
Die induktiv gekoppelte Plasmaquelle umfasst hierbei die Reaktiohskammer und mindestens einen Induktor, der mit einer hochfrequenten Stromquelle verbunden ist. Auf diese Weise kann in die Reaktionskammer direkt die für die Erzeugung des Plasmas nötige Energie eingekoppelt werden. Vorzugsweise sind zudem Kanäle zum Einleiten von Reaktivgas und/oder zum Einleiten eines z.B. fluiden Präkursors (wie z.B. TMA) in die Plasmaquelle vorgesehen. Durch die Anordnung des Substrats derart, dass die zu beschichtende Oberfläche des Substrats in Richtung Plasmaquelle weist, kann die Beschichtungsrate optimiert und somit der Durchsatz der beschichteten Bauteile erhöht werden.
In einer Ausführungsform umfasst die Beschichtungsanlage mindestens eine zweite induktiv gekoppelte Plasmaquelle (ICP) mit einer Reaktionskammer und mindestens einem HF-Induktor und Kanälen zum Einleiten einer Siliziumverbindung und eines Reaktivgases in die zweite/weiteren ICP-Quelle(n).
Vorzugsweise kann die Beschichtungsanlage derart ausgebildet sein, dass sie mehrere Prozessstationen aufweist, die mit ICP-Quellen und entsprechenden Reaktionskammern und Kanälen ausgestattet sind. In einer Ausführungsform umfasst die Beschichtungsanlage auch Transportmechanismen, so dass ein insbesondere beschichtetes Substrat von einer ersten in eine zweite Prozessstation, insbesondere in eine zweite Plasmaquelle mit Reaktionskammer zugeführt werden kann. In der zweiten Prozessstation/Quelle/Reaktionskammer kann dann eine weitere Beschichtung vorgenommen werden, insbesondere zur Herstellung einer (zu der ersten Schicht) unterschiedlichen Schicht. Zudem können noch weitere Beschichtungen in weiteren Prozessstationen/Quellen/Reaktionskammern vorgesehen werden.
In einer Ausführungsform ist der Induktor der ICP-Quelle bzw. der ICP-Quellen außerhalb der zugehörigen Reaktionskammer angeordnet und von dieser durch eine dielektrische Trennwand getrennt. Vorzugsweise trennt die dielektrische Wand die Reaktionskammer von dem Bereich des Induktors mit der hochfrequenten Stromquelle derart ab, dass diese insbesondere einen Schutz für den Induktor darstellt und sich das Plasma kontrolliert und gerichtet ausbilden kann.
Die hier beschriebenen Verfahren und Beschichtungsanlage können z. B. zur Passivierung, insbesondere zur Rückseitenpassivierung von Solarzellen, vorzugsweise von kristallinen Solarzellen, angewendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Beschichtungsanlage ermöglichen die Herstellung von qualitativ hochwertigen, defektarmen homogenen Schichten (Niederdruck). Durch die hohe Dissoziation von Sauerstoff und die hohe Umsatzrate des Aluminium-haltigen Gases, insbesondere TMA, und/oder DMAI, in der Quelle wird zudem ein hoher Durchsatz an beschichteten Substraten, z.B. Solarzellen mit hoher Zelleffizienz, bei gleichzeitigem niedrigen Verbrauch an TMA und/oder DMAI ermöglicht. Auf diese Weise sinken die Materialkosten pro Wafer bzw. pro Watt deutlich. Ein weiterer Vorteil gegenüber bereits bekannten Verfahren bzw. Beschichtungsanlagen besteht darin, dass diese Verfahren in einer einzigen Anlage (z.B. mit mehreren Reaktionskammern, die den gleichen Druck oder unterschiedliche Drücke aufweisen, und/oder mit geeigneten Transportmechanismen zwischen den einzelnen Kammern) durchgeführt werden können: so kann z.B. der gesamte Rückseitenschichtstapel aus einer Aluminiumoxid- und einer Siliziumnitrid-Schicht in einer Plattform (eine derartige Plattform ist z.B. aus der DE 10 2009 018 700 bekannt) stattfinden, was mit einem ALD-Verfahren und entsprechende -Anlage nicht möglich ist. In einer Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verfahren im Takt-Betrieb ausgeführt werden bzw. die erfindungsgemäße Beschichtungsanlage im Takt- Betrieb arbeiten. Zum Beispiel kann sich auf diese Weise mindestens ein Substrat in einer ersten Reaktionskammer (oder einer anderen Prozessstation) befinden, während sich zur gleichen Zeit in einer zweiten Reaktionskammer (oder einer wieder anderen Prozessstation) mindestens ein weiteres Substrat befindet usw. Auf diese Weise ist es nicht mehr nötig, dass ein einziges Substrat oder eine einzige Gruppe von Substraten einen kompletten Beschichtungsvorgang in der Anlage durchläuft, bevor die Beschichtungsanlage mit einem nächsten Substrat oder einer nächsten Gruppe von Substraten zur Beschichtung befüllt wird: Sobald der erste Prozessschritt z.B. in einer ersten Kammer abgeschlossen ist, kann das Substrat (beziehungsweise die Gruppe an Substraten) in eine weitere Kammer zur Weiterverarbeitung transportiert werden, während vorzugsweise im gleichen Moment die erste Kammer mit einem nächsten Substrat bzw. einer nächsten Substrat-Gruppe befüllt wird usw.. Zum Beispiel kann ein Substrat oder eine Gruppe von Substraten im Takt-Betrieb im Kreis die einzelnen Stationen der Beschichtungsanlage durchlaufen. Auf diese Weise verkürzt sich die Zykluszeit, was wiederum zu einem erhöhten Durchsatz, z.B. bei getaktetem Betrieb ohne Ausschleusen, führt.
Einige der oben beschriebenen, insbesondere voneinander unabhängigen, Prozessparameter, insbesondere zur Aluminiumoxid-Beschichtung, können wie folgt zusammengefasst werden:
Druck: 10"4 bis 10"' mbar, vorzugsweise von 10"3 bis 5* 10"2 mbar
Substrattemperatur: Raumtemperatur bis 450° C
Radiofrequenz: 1 - 60 MHz, vorzugsweise 13,56 MHz Plasmaleistung: 0,5 bis 10 kW, vorzugsweise 3,5 bis 6 kW
Ionenenergie: 1 eV bis 30 eV, vorzugsweise weniger als 20 eV
Plasmadichte: mindestens l xl O 1 1 Ionen/cm3, vorzugsweise von l xl O12 Ionen/cm3 bis 9x l 013Ionen/cm3
Ionisationsgrad: bis zu 50%
Dissoziationsgrad: 2-atomige Moleküle (02) bis zu 80%
Plasmaqualität: partikelfreier Plasmastrahl durch Niederdruck
Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Prozessstation einer ICP-PECVD- Beschichtungsanlage, Fig. 2 eine schematische Ansicht mehrerer Prozessstationen einer ICP-PECVD- Beschichtungsanlage und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Prozessstation einer ICP-PECVD- Beschichtungsanlage mit dielektrischer Trennwand.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teil, insbesondere eine Prozessstation, einer Beschichtungsanlage mit einem Substrathalter 1 1 und den Substraten 10. Die Prozessstation umfasst eine ICP-Quelle 20 unterhalb des Substrathalters 1 1 mit den Substraten 10 mit einer Reaktionskammer 22 und mindestens einem umlaufenden HF-Induktor 24. Der HF-Induktor 24 befindet sich in dieser Ausführungsform an den seitlichen Innenwänden der ICP-Quelle und definiert somit die seitlichen Abgrenzungen der Reaktionskammer 22. Die ICP-Quelle weist zudem Kanäle 28 auf, durch die ein fluider Präkursor, z.B. TMA und/oder DMAI, in die Reaktionskammer eingeleitet werden kann. Ein Reaktivgas, z.B. Sauerstoff, kann ebenfalls über einen dieser Kanäle oder einen weiteren Kanal 26 der Kammer 22 zugeführt werden.
Nach der direkten induktiven Einkopplung der Energie, entsteht ein Plasma 30, das in Richtung der zu beschichteten Unterseite des Substrats 10 ausgebildet wird. Letztendlich kann auf diese Weise eine dünne Schicht 12, z.B. aus einem Aluminiumoxid, auf dem Substrat 10 abgeschieden werden.
Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht mehrerer Prozessstationen. Neben einer IR- Station zum Aufheizen des Substrats befinden sich mehrere ICP-Quellen, die z.B. nacheinander im Uhrzeigersinn und/oder in willkürlicher Reihenfolge mit dem Substrat über Transportmechanismen angefahren werden können. Zur Kontrolle der Substrattemperatur kann mindestens ein Temperaturfühler (nicht dargestellt) vorgesehen sein.
Alternativ ist es auch möglich, dass das Substrat in einer Halterung verbleibt und die einzelnen Stationen/Quellen/Kammern an eine Seite des Substrat angebracht werden können (z.B. durch Drehung der Ebene der Kammern parallel zur Substratebene), so dass das Substrat beschichtet werden kann.
Dabei ist es jeweils möglich, ein Substrat in einer Anlage mit verschiedenen Materialien zu beschichten. Zum Beispiel kann auf das Substrat zunächst eine Aluminiumoxid-Schicht unter Nutzung von TMA und/oder DMAI als Präkursor und Sauerstoff als Reaktivgas abgeschieden werden, und danach unter Nutzung von SiH4 als Präkursor und NH3 als Reaktivgas eine Siliziumnitrid-Schicht auf die Aluminiumoxid-Schicht aufgebracht werden.
Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teil, insbesondere eine Prozessstation, einer Beschichtungsanlage. Die Prozessstation kann in einer Ausführungsform im Wesentlichen auch die Merkmale der Prozessstation aus Fig. 1 umfassen und zeigt eine untere Kammerwand 122a. Im Gegensatz zu Fig. 1 weist die ICP-Quelle in Fig. 3 eine dielektrische Trennwand 123 auf, die den HF-Induktor 124 von der Reaktionskammer 122 abtrennt. Mit anderen Worten können die äußeren Abmessungen der dielektrischen Trennwand 123 mindestens eine Seitenwand der Reaktionskammer definieren und/oder wannen- und/oder ring-förmig in der Quelle angeordnet sein. Die dielektrische Trennwand kann insbesondere einen Schutz für den Induktor darstellen und dazu dienen, dass sich das Plasma kontrolliert und auf die zu beschichtende Oberfläche des Substrats gerichtet ausbilden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Beschichtungsanlage ermöglichen somit die Herstellung von qualitativ hochwertigen Schichten bei niedrigem Prozessdruck und geringen Materialkosten. Ein weiterer Vorteil gegenüber bereits bekannten Verfahren bzw. Beschichtungsanlagen besteht darin, dass diese Verfahren in einer einzigen Anlage durchgeführt werden können, so dass sich die Zykluszeit verkürzt und sich damit der Durchsatz erhöht.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Beschichten eines Substrats ( 10) mit einer A10x-Schicht ( 12), insbesondere Al203-Schicht, mit den folgenden Verfahrensschritten:
(a) Bereitstellen einer induktiv gekoppelten Plasmaquelle (ICP-Quelle) (20) mit einer Reaktionskammer (22) und mindestens einem HF-Induktor (24),
(b) Einleiten einer Aluminiumverbindung, in die ICP-Quelle (20),
(c) Einleiten von Sauerstoff und/oder einer Sauerstoffverbindung als Reaktivgas in die ICP-Quelle und induktives Einkoppeln von Energie in die ICP-Quelle (20) zum Ausbilden eines Plasmas (30), und
(d) Abscheiden der A10x-Schicht (12) auf dem Substrat (10).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Substrat (10) aus Silizium besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Plasmadichte mindestens l xl O1 1 Ionen/cm3, vorzugsweise von lxl O12 Ionen/cm3 bis 9xl 013Ionen/cm3, beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Ionenenergie zwischen 1 und 30 eV beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Vakuum von 10"4 bis 10" 1 mbar, vorzugsweise von 10"3 bis 5* 10"2 mbar, in der Reaktionskammer (22) vorliegt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das induktive Einkoppeln von Energie mit einer Frequenz von 1 - 60 MHz, vorzugsweise mit 13,56 MHz, durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Schritt
(e) Abscheiden einer SiNy-Schicht auf der A10x-Schicht (12) in der Reaktionskammer (22) unter Verwendung der ICP-Quelle (20) oder einer weiteren ICP-Quelle, oder in einer weiteren Reaktionskammer unter Verwendung einer weiteren ICP-Quelle.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei Schritt (e) folgende Schritte aufweist:
(el ) Zuführen einer Siliziumverbindung in die ICP-Quelle (20) bzw. in die weitere ICP-Quelle, und
(e2) Einleiten von Stickstoff und/oder einer Stickstoffverbindung als Reaktivgas in diese ICP-Quelle und induktives Einkoppeln von Energie in diese ICP-Quelle zum Ausbilden eines Plasmas.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Substrattemperatur im Bereich von Raumtemperatur bis 450° C liegt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Plasmaleistung 0,5 bis 10 kW, vorzugsweise 3,5 bis 6 kW, beträgt.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Plasmadichte und die Ionenenergie unabhängig voneinander gesteuert werden.
12. Beschichtungsanlage zum Abscheiden von dünnen Schichten auf einem Substrat (10), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , mit:
(a) einer induktiv gekoppelten Plasmaquelle (ICP) (20) mit einer Reaktionskammer (22) und mindestens einem HF-Induktor (24),
(b) einer Substrathalterung (1 1 ) zur Anordnung mindestens eines Substrats ( 10) in die Reaktionskammer (22) und
(c) Kanälen (26, 28) zum Einleiten der Aluminiumverbindung und eines Reaktivgases in die ICP-Quelle (20),
(d) wobei das Substrat (10) in der Reaktionskammer (22) derart angeordnet ist, dass die zu beschichtende Oberfläche des Substrats (10) zur ICP-Quelle (20) weist.
13. Beschichtungsanlage nach Anspruch 12, mit:
(e) mindestens einer weiteren induktiv gekoppelten Plasmaquelle (ICP) mit jeweils einer Reaktionskammer und mindestens einem HF-Induktor und
(f) Kanälen zum Einleiten einer Siliziumverbindung und eines Reaktivgases in die weitere(n) ICP-Quelle(n).
14. Beschichtungsanlage nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Induktor ( 124) der ICP-Quelle bzw. der ICP-Quellen außerhalb der zugehörigen Reaktionskammer (122) angeordnet und von dieser durch eine dielektrische Trennwand (123) getrennt ist.
15. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 oder Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 12, 13 oder 14 zur Passivierung, insbesondere zur Rückseitenpassivierung von Solarzellen, vorzugsweise von kristallinen Solarzellen.
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